JAROSŁAW KASZUBKIEWICZ, IZABELA WĄTOR, JOLANTA KIEŁBOWICZ
RETENCJA I PRZEPUSZCZALNOŚĆ W ODNA
W TOPOSEKWENCJACH GÓRSKICH GLEB
ŁĄKOWYCH I LEŚNYCH
WATER RETENTION A N D PERMEABILITY
IN THE TOPOSEQUENCE OF FOREST AN D M EADOW
M OUNTAIN SOILS
Instytut Gleboznawstwa i Ochrony Środowiska Rolniczego Akademii Rolniczej we Wrocławiu
A b s tr a c t: In the paper the results o f investigation conductcd on saturated hydraulic co n d u cti
vity co e ffic ie n t and water retention o f m ountain so ils are described. It w as show n that the average diam eter o f soil grains is increasing w ith depth in the forest so ils and in the m ead ow so il as w ell. A lso the m ean diam eter o f soil grains is sm aller in the profiles in the bottom part o f slo p e than in the p rofiles from the upper part. The am ounts o f w ater available for plants are sig n ifica n tly greater in the profiles o f forest so ils than in the profiles o f m ead ow so ils. The exp on en tial relation w as found b etw een water perm eability co efficien t (K io) and content o f so il pores w ith diam eter ф>30 цлп. T he h ighest values o f perm eability c o e ffic ie n t K io w ere observed in the A horizons o f forest soils.
S ło w a k lu c z o w e : retencja w odna, w oda dostępna dla roślin, w od a produkcyjna, w sp ó łczy n n ik
p rzep u szczaln ości w odnej.
K e y w o r d s : w ater retention, available water, usable water, saturated hydraulic con d u ctivity
co e ffic ie n t
WSTĘP
Jednym z najcenniejszych bogactw naturalnych regionu górskiego jest woda. W ysokie opady atmosferyczne, przewyższające średni opad na terenie całej Polski dwa, a nawet 3-krotnie, sprawiają, że góry są głównym rezerwuarem wodnym całego kraju, stanowiącym, przy niewielkiej stosunkowo powierzchni 25 000 km2 około 30% ogólnych zasobów wodnych [Figuła 1958]. Z tych względów rozsądne gospodarowa
34 J. Kaszubkiewicz, /• Wątor, J. K iełbow icz
nie wodą w terenach górskich i podgórskich powinno być możliwie oszczędne z uwagi na konieczność pokrycia niedoborów wodnych obszarów nizinnych [Prochal 1990, Słupik 1980].
Podstawowym celem organizacji gospodarki wodnej w górach jest wyrównanie odpływu wody. Podnosi to efektywne zasoby wody przy niezmiennych globalnych zasobach wodnych. Cel ten może być osiągnięty między innymi przez podniesienie zdolności retencyjnej zboczy górskich [Figuła 1958, Adamczyk 1980].
Istotny wpływ na zdolność retencyjną gleb występujących na terenach górskich obok miąższości i składu granulometrycznego ma sposób ich użytkowania. Najczę ściej spotykane w górach sposoby użytkowania to użytkowanie leśne bądź też w formie trwałych użytków zielonych. Zmiany udziału tych sposobów gospodarowania mogą mieć istotny wpływ na retencję wodną w obszarach górskich [Fabijanowski
1980].
CEL PRACY
Celem pracy jest porównanie właściwości wodnych toposekwencji użytkowanych rolniczo i leśnie gleb położonych w Sudetach, wytworzonych z tych samych skał macierzystych, charakteryzujących się zbliżonym składem granulometrycznym i budową profilową. Wybranie gleb zbliżonych pod względem pozostałych czynników powinno uwypuklić wpływ sposobu użytkowania na właściwości wodne i umożliwić ustalenie ilościowych różnic badanych parametrów wynikających ze zróżnicowanego użytkowania.
Prowadzenie porównań dla sekwencji gleb położonych w różnych częściach stoku i przy zróżnicowanym nachyleniu powinno umożliwić ponadto ocenę oddziaływania na właściwości wodne i w rezultacie umożliwić określenie, jak ważne jest ewentualne zalesienie różnych części stoku i na jakie pozytywne skutki zalesiania gleb możemy liczyć w różnych częściach stoku.
OBIEKT BADAŃ
Badania prowadzono na terenie Sudeckiego Rolniczego Zakładu Doświadczalne go Radomierz k. Jeleniej Góry. Obiekt ten położony jest w paśmie Gór Kaczawskich zamykających od północnego wschodu Kotlinę Jeleniogórską. Badaniami objęto gleby leśne zlokalizowane na wysokości 520-560 m n.p.m. na stoku o nachyleniu 8- 12° i ekspozycji południowo-zachodniej oraz gleby łąkowe zlokalizowane na wysokości 460-480 m n.p.m. na stoku o nachyleniu 6-10° i ekspozycji południowo- zachodniej.
W ramach każdej z toposekwencji gleb, wykonano cztery odkrywki glebowe: pierwszą w górnej części stoku, dwie kolejne w jego środkowej części o stałym nachyleniu i czwartą u podnóża stoku w rejonie malejącego nachylenia.
Obszar badanego obiektu pod względem geologicznym zbudowany jest z górno- kambryjskich skał metamorficznych. Są to głównie utwory facji zieleńcowej z socze wkami amfibolitów.
W ystępujące na terenie doświadczalnym gleby mają charakter wietrzeniowo-de- luwialny. Pod względem typologicznym dominują gleby brunatne (Cambisols) repre zentowane przez wietrzeniowo-deluwialne gleby brunatne właściwe (Eutric Cambi sols) i gleby brunatne kwaśne (Dystric Cambisols) [Borkowski 1966].
górskich gleb łąkowych i leśnych 3 5
Klimat w rejonie obiektu badań jest stosunkowo chłodny i wilgotny. Średnia suma opadów rocznych wynosi 600-800 mm, przy czym na półrocze letnie przypada ok. 450 mm. Pokrywa śnieżna w rejonie zalega 70-80 dni, a ilość dni z przymrozkami wynosi 100-120. Okres wegetacji trwa przez 200 dni.
Na badanych glebach łąkowych w składzie botanicznym runi dominuje mietlica pospolita z kostrzewą czerwoną z niewielkim udziałem wiechliny łąkowej i mietlicy łąkowej.
Na badanych glebach leśnych rośnie drzewostan mieszany, o składzie gatunko wym: dąb szypułkowy, klon zwyczajny, jesion wyniosły, świerk pospolity. W pod szycie i w skąpym runie leśnym występują: głóg i jeżyny. Badane gleby pozostają pod zalesieniem co najmniej od kilkudziesięciu lat.
METODYKA BADAŃ
Badania terenowe przeprowadzono w październiku 1999 roku W ramach badań wykonano dwa ciągi po cztery odkrywki glebowe zlokalizowane w różnych częściach zbocza, tj. górnej, środkowej i dolnej. Następnie w wydzielonych profilach glebowych opisano morfologię poszczególnych poziomów genetycznych. Ze wszystkich wyróż nionych poziomów genetycznych pobrano próby glebowe celem wykonania analiz laboratoryjnych. Próby do cylinderków Kopecky’ego pobierano w trzech powtórze niach.
W pobranym materiale glebowym w laboratorium Instytutu Gleboznawstwa i Ochrony Środowiska oznaczono następujące właściwości fizyczne i wodne:
- skład granulometryczny metodą areometryczną Bouyoucosa w modyfikacji Casagrande’a i Prószyńskiego,
- gęstość fazy stałej gleby za pomocą piknometru,
- gęstość objętościową przy użyciu cylinderków Kopecky’ego,
- porowatość całkowitą na podstawie gęstości fazy stałej i gęstości objętościo wej,
- kapilarną pojemność wodną według Kopecky’ego,
- przebieg krzywych pF w zakresie pF 0-4,2 z zastosowaniem bloków piasko wych, piaskowo-kaolinowych oraz komór ciśnieniowych Richardsa [Stak- man, i wsp. 1969, Stakman, Horst 1969],
- maksymalną higroskopową pojemność wodną metodą Nikołajewa, - wilgotność aktualną - metodą suszarkowo-wagową,
- zapas wody dostępnej dla roślin i wody produkcyjnej obliczano na podstawie wartości pF: 2; 3,7 i 4,2,
- porowatość zróżnicowaną badanych gleb obliczano na podstawie przebiegu krzywych desorpcji wody,
- współczynnik przewodnictwa wodnego w strefie nasyconej K 10 metodą zbli żoną do metody Ostromęckiego [1964].
WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA
Badane gleby leśne zawierały we wszystkich analizowanych poziomach duże ilości frakcji szkieletowych (od 48 do 84%), przy czym we frakcjach szkieletowych dominowały kamienie (ф>20 mm). Skład frakcji ziemistych odpowiadał glinie lekkiej pylastej bądź glinie średniej pylastej.
36 J. Kaszubkiewicz, L Wątor, J. Kiełbow icz
W przypadku gleb łąkowych zawartość frakcji szkieletowych pozostawała w granicach 34-78% , przy czym, podobnie jak poprzednio, we frakcjach szkieletowych dominowały kamienie. Skład granulometryczny frakcji ziemistych odpowiadał glinie piaszczystej pylastej bądź glinie lekkiej pylastej.
Celem przeanalizowania zmienności składu granulometrycznego w toposekwen- cjach posłużono się średnią statystyczną średnicą ziaren obliczaną wg wzoru:
gdzie:
ćl - średnia statystyczna średnica ziaren, d { - centrum /-tego przedziału średnic ziaren,
f i - udział i-tej frakcji ziaren w całej m asie utworu g leb o w eg o .
Analizując tak wyliczone średnie średnice ziaren stwierdzono, że najmniejsze wartości osiągają one w wierzchnich poziomach gleb zarówno leśnych, jak i łąko wych. Średnica ziaren w obu przypadkach rośnie wraz z głębokością (rys. 1 a).
Badając układ składów granulometrycznych w toposekwencjach stwierdzono, że bardziej drobnoziarnisty skład obserwuje się w profilach położonych w dolnej części stoku (rys. Ib). Tendencja ta zaznacza się słabiej w przypadku gleb leśnych niż łąkowych. Stwierdzono ponadto, że gleby łąkowe cechują się uziarnieniem drobniej szym niż uziamienie odpowiadających im gleb leśnych (rys. la,b).
Retencję wodną w profilach poszczególnych gleb oceniano na podstawie zapasu wody dostępnej dla roślin obliczanego wg wzoru:
gdzie:
z k - m ią ższo ść k-tego p oziom u gen ety czn eg o ,
Qk (2 ,0 ) i 0£ (4,2) - w artości w ilgotn ości objętościow ej gleb y z &-tego p oziom u g e n e ty c z
n ego przy polow ej p ojem ności w odnej (pF 2 ,0 ) i w punkcie trw ałego w ięd n ięcia roślin (pF 4,2 ).
Posługiwano się także pojęciem zapasu wody produkcyjnej obliczanej za pomocą analogicznej formuły:
(
1
)R eten cja w o d na
(2)
(3)
gdzie: 0^ (3 ,7 ) - w ilg o tn o ść ob jętościow a gleby z k-tego poziom u g en ety czn eg o w punkcie ca łk o w iteg o zaham ow ania w zrostu roślin (pF 3,7).
górskich gleb łąkowych i leśnych a)
b)
R Y SU N E K 1. Średnie arytmetyczne średnice ziaren glebowych: a - w poszczególnych poziom ach genetycznych badanych gleb, b - w całych profilach glebow ych
FIGURE 1. Arithmetic averages o f grain size diameters: a - in the sequence o f soil horizons, b - in the sequence o f soil profiles
Porównanie zapasów wody dostępnej dla roślin w profilach gleb leśnych i łąko wych (tab. 1, rys. 2a) pokazuje, że przy podobnej miąższości profili glebowych (w glebach łąkowych od 50 do 85 cm, w glebach leśnych od 55 do 80 cm) zdecydowanie wyższa jest retencja wodna w glebach leśnych. Średnia ilość wody dostępnej dla roślin w profilu gleby leśnej wynosiła 20,5 cm przy średniej miąższości profilu 67,5 cm, natomiast w glebach łąkowych średnia ilość wody dostępnej dla roślin wynosiła 11,8 cm przy średniej miąższości profilu 69 cm. Do podobnego wniosku prowadzi porów nanie zapasów wody produkcyjnej (tab. 1, rys. 2b). Średnia ilość wody produkcyjnej w profilu gleby leśnej wynosiła 14,7 cm, natomiast w glebach łąkowych - 8,5 cm.
38 J. Kaszubkiewicz, /. W ątor, J. K iełbow icz
TA B E LA 1. Zapasy wody dostępnej oraz wody produkcyjnej w badanych profilach glebow ych TABLE 1. The amounts o f available water and usable water in the investigated soils
Gleb>/ łąkowe - M eadow soils Gleb>i leśne - Forest soils pro fil pro file poziom horizon m iąższość poziomu thickness o f horizon [cm] zapas wody amount o f water [mm] pro fil pro file poziom horizon m iąższość poziomu thickness o f horizon [cm] zapas wody amount o f water [mm] dostępna available produk. usable dostępna available produk. usable
1 Ad 0 -8 n.o. n.o. 1 O 3 -0 n.o. n.o.
A 8 -1 7 24,55 17,24 A 0 -1 2 15,4 11,9
Bbr 17-34 30,15 21,5 Bbr 1 2-34 64,4 47,6
С 3 4 -5 0 28,81 20,27 С 34 -5 5 75,3 54,3
R razem 83,51 59,01 R razem 155,1 113,8
2 Ad 0 -5 n.o. n.o. 2 O 3 -0 n.o. n.o.
A 5 -2 2 33,36 24,2 A 0 -1 5 33,4 23,3
Bbr 2 2 -3 9 26,08 18,59 Bbr 15-34 59,1 45,3
С 3 9 -8 5 72,94 51,4 С 3 4 -6 5 77,7 60,8
R razem 132,38 94,19 R razem 170,2 129,4
3 Ad 0 -4 n.o. n.o. 3 O 2 -0 n.o. n.o.
A 4 -2 5 35,28 25,39 A 0 -1 2 36,0 23,9
Bbr 2 5 -5 0 43,33 31,75 Bbr 12-34 83,5 58,4
С 5 0 -7 0 36,84 26,56 С 3 4 -7 0 138,1 96,4
R razem 115,46 83,7 R razem 257,6 178,7
4 Ad 0 -5 n.o. n.o. 4 O 2 -0 n.o. n.o.
A 5 -2 5 47,15 34,78 A 0 -2 0 53,4 26,8
Bbr 2 5 ^ 3 37,17 25,74 Bbr 2 0 -5 0 100,5 74,7
С 4 3 -7 2 57,31 41,18 С 5 0 -8 0 82,2 63,9
R razem 141,63 102,7 R razem 236,1 165,4
Jednocześnie w obu toposekwencjach gleb wraz z obniżaniem położenia wzrastają zapasy wody dostępnej dla roślin. Tendencja ta jest bardziej widoczna w glebach leśnych niż łąkowych (rys. 3).
P rzepuszczalność w odna
Wyniki oznaczania przepuszczalności wodnej badanych gleb w strefie nasyconej wyrażono współczynnikiem filtracji K l0 . Jest to współczynnik określający przepu szczalność wodną gleby przy całkowitym nasyceniu wodą w temperaturze 10°C.
^ A h
v = K \ o ~ (4 )
W równaniu powyższym noszącym miano równania Darcy (1856); v jest prędko ścią przemieszczania się wody przez przekrój prostopadły do kierunku jej ruchu [m3 • irf 2 • s], Ah jest różnicą ciśnień wymuszającą przepływ, a / jest grubością warstwy gleby, dla której obserwujemy różnicę ciśnień. Parametr K U) decyduje o
górskich gleb łąkowych i leśnych 3 9
Nr profilu, profile num ber
R Y SU N E K 2. Zapasy wody: (a),(b) - dostępnej dla roślin, (c),(d) - produkcyjnej, w p oszczegól nych poziom ach genetycznych badanych gleb leśnych i łąkowych
FIGURE 2. Amounts o f water: (a),(b) - available to plants, (c),(d) - usable in the soil horizons o f investigated forest and m eadow soils
zdolności przewodzenia wody w głąb gleby i pozwala, wraz z retencyjnością gleby, określić, jaka część opadów spłynie po powierzchni w dół stoku.
Bardzo wysokie wartości przepuszczalności wodnej stwierdzono w poziomach akumulacyjnych gleb leśnych (rys. 4). Gwałtownie malały one w kolejnych pozio mach genetycznych.
W glebach łąkowych stwierdzono analogiczną tendencję, jednak różnica pomię dzy przepuszczalnością wodną poziomów A i pozostałych nie była tak wyraźna (rys. 4). Taki układ przepuszczalności może powodować, że nasycanie wodą poziomów powierzchniowych następuje znacznie szybciej niż odprowadzanie wody do pozio mów położonych głębiej. Skutkiem tego przy intensywnych opadach najważniejszą rolę przy ograniczaniu spływów powierzchniowych odgrywa retencyjność poziomów akumulacyjnych gleb leśnych.
Nr profilu, profile n u m b er Nr profilu, profile num ber
Nr profilu, profile num ber
Gleby łąkowe, meadow soils Gleby leśne, forest soils
Gleby łąkowe, meadow soils Gleby leśne, forest soils
40
J. Kaszubkiewicz, I. Wątor, J. Kielbow icz□ gleby łąkowe, meadow soils 0 gleby leśne, forest
soils
2 з
Nr profilu, profile num ber
R YSU NEk 3. Porównanie zapasów wody dostępnej dla roślin w całych profilach gleb leśnych i łąkow ych
FIGURE 3. Comparison o f amounts o f water available to plants in the w hole profiles o f m eadow and forest soils
□ gleby łąkowe, meadow soils]
Ж
gleby leśne, forest soilsBbr
Poziomy genetyczne, soil horizons
R Y SU N E K 4. Porównanie średnich przepuszczalności wodnych wyrażonych w spółczynnikiem
K ]0 poszczególnych poziom ów genetycznych gleb leśnych i łąkowych
FIGURE 4. The comparison o f water permeability (coefficient Ä ^ ) o f soil horizons o f forest and meadow soils
górskich gleb łąkowych i leśnych 4]
R Y SU N E K 5. Z ależność pom iędzy objętością porów o określonych średnicach a współczynnikiem przepuszczalności wodnej K ]Q przy pełnym nasyceniu w badanych glebach
FIGURE 5. The relation between the volum e o f soil pores with choosen diameter and water permeability coefficient A^10 in saturated soils under study
42 J . Kaszubkiewicz, L Wątor, J. K ietbow icz
Przepuszczalność wodna powiązana jest z porowatością różnicową gleb [Kaszub kiewicz, Giedrojć 1993]. Wartości współczynnika przepuszczalności wodnej K H) zależą od objętości i ukształtowania przestrzeni makroporów [Blacwell i wsp. 1990]. Na rysunkach 5 a - f przedstawiono zależności pomiędzy objętościami wybranych frakcji porów w analizowanych poziomach glebowych a współczynnikami przepusz czalności wodnej dla tych poziomów. Korelacja pomiędzy tak dobranymi parametra mi wzrasta w miarę uwzględniania kolejnych frakcji porów glebowych. Najwyższy współczynnik korelacji uzyskano przy uwzględnieniu porów o wymiarach większych niż 30 |Lim (R=0,8048) (rys.5e). Uwzględnienie kolejnej frakcji porów (30 ц т> ф >10
\m\ ) spowodowało obniżenie współczynnika korelacji do wartości R=0,7581. Ozna cza to, że na przepuszczalność wodną badanych gleb mają wpływ wszystkie pory o średnicach powyżej 30 |im. Równanie wyrażające związek pomiędzy ich objętością a współczynnikiem przepuszczalności wodnej można przedstawić w postaci.
K i0 = 0,092 e ° ’2l91v(30) (5)
gdzie V (30) oznacza wyrażony w procentach udział objętości porów o średnicach większych niż 30 |um w całej objętości gleby, а К ю wyrażone jest w metrach na dobę. Podobne relacje pomiędzy porowatością a przepuszczalnością wodną w strefie nasy conej obserwowali Timlin i wsp. [1999] oraz Pachepsky i wsp. [2000]. Istnienie takiego związku pomiędzy przewodnictwem a objętością porów oznacza, że woda w strefie nasyconej gleb przemieszcza się jedynie w porach dużych o średnicach więk szych niż 30 |im.
WNIOSKI
Przeprowadzone badania toposekwencji górskich gleb leśnych i łąkowych pozwo liły na wyciągnięcie następujących wniosków dotyczących zróżnicowania ich właści wości.
1. Średnia arytmetyczna średnica ziaren glebowych wzrasta wraz z głębokością w glebach zarówno łąkowych, jak i leśnych. Drobniejsze uziarnienie obserwuje się w profilach położonych w dolnej części stoku. Tendencja ta zaznacza się słabiej w przypadku gleb leśnych niż łąkowych.
2. Porównanie zapasów wody dostępnej dla roślin i wody produkcyjnej w profilach gleb leśnych i łąkowych wskazuje, że przy podobnej miąższości profili glebowych, zdecydowanie wyższa jest retencja wodna w glebach leśnych.
3. Zarówno w glebach leśnych, jak i łąkowych przepuszczalność wodna jest najwy ższa w poziomach akumulacyjnych. Nie stwierdzono statystycznie istotnej zależ ności między współczynnikiem przepuszczalności wodnej a położeniem w topo sekwencji.
4. Przepuszczalność wodna badanych gleb była dodatnio skorelowana z objętością porów o średnicach większych od 30 |im. Związek między tymi parametrami ma charakter wykładniczy.
górskich gleb łąkowych i leśnych 4 3
LITERATURA
A D A M C Z Y K B. 1980: Rola gleby w regulowaniu dyspozycyjnych zasobów wodnych. Zesz. Prob.
Post. Nauk R o i 235: 5 9 -8 0 .
В L AC W ELL P.S., RING RO SE-VO ASE A.J., JA Y A W A R D A N E N .S., OLSSO N K.A., M A C KENZIE D.C, M A SO N W.K. 1990: The use o f air-filled porosity and intrinsic conductivity to air to characterise structure o f macropore space and saturated hydraulic conductivity o f clay soils. J. Soil Sei. 41: 215 -2 2 7 .
BORKO W SKI J. 1966: Gleby brunatne Sudetów (praca doktorska) W rocław, s. 98.
D A R C Y H. 1856: Les Fontaines Publique de la V ille de Dijon, Viktor Dalmont, Paris, s. 647. FABIJANOW SKI J. 1980: Znaczenie lasów i ich zagospodarowania dla racjonalnej gospodarki
wodą. Z esz. Prob. Post. Nauk Roi. 235: s. 4 3 -5 5 .
FIGULA K. 1958: Problemy gospodarki wodnej na ziem iach górskich. Zesz. Prob. Post. Nauk Roi. 14: T b -M .
KASZUBKIEW ICZ J., GIEDROJĆ B.1993: Przepuszczalność wodna gleb dna stawów rybnych w rejonie M ilicza na D olnym Śląsku. Roczn. G lebozn. 44: 3 3 ^ 4 .
O STROM ĘCK IJ. 1964: Wstęp do melioracji rolnych. PWRiL Warszawa 1964.
PACH EPSK Y Y., RAW LS W., TIMLIN D. 2000: A one parameter relationship betw een unsatu rated hydraulic conductivity and water retention. Soil Sei. 165: 9 1 1 -9 1 9 .
PROCHAL P. 1990: Zasoby wodne obszarów górskich i kierunki ich wykorzystania. Prob. Zagosp.
Ziem G órskich, 29: 9 9 -1 1 2 .
SŁUPIK J. 1980: Gospodarka wodna na stokach fliszow ych w św ietle bilansu w odnego warstwy gleby. Z esz. Prob. Post. Nauk Roi. 235: 4 3 -5 5 .
ST A K M A N W .P., V A LK G.A., HORST G.G. 1969: Determination o f soil moisture retention. I Sandbox apparatus range pF 0 - pF 2.7. ICW Wageningen: 1-27.
STAK M A N W .P., HORST G.G. 1969: Determination o f soil moisture retention. II Preasure. ICW W ageningen: 2 8 -3 9 .
TIMLIN D.J., AHUJA L.R., PACHEPSKY Y., WILLIAMS R.D., GIMENEZ D., RAW LS W. 1999: U se o f Brooks-Corey parameters to improve estimates o f saturated conductivity from effective porosity. Soil Sei. Soc. Am. J. 63: 1086-1092.
Praca wpłynęła do redakcji w m arcu 2001 r. A d re s a u tora: d r hab. J a ro s ła w K a szu b k iew icz
In stitu te o f S o il S cien ce a n d A g ric u ltu ra l E n viron m en t P ro tectio n A g ric u ltu r a l U n iversity o f W rocław
